01 【科學(xué)背景】 硅光子學(xué)是一項迅速發(fā)展的技術(shù)，有望徹底改變我們通信、計算和感知世界的方式。然而，缺乏高度可擴展的、原生互補金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)集成光源是阻礙其廣泛應(yīng)用的主要障礙之一。盡管在硅上集成 III-V 族光源方面取得了顯著進展，但通過直接外延 III-V 材料實現(xiàn)單片集成仍是成本效益較高的片上光源的頂峰。在今天的許多數(shù)據(jù)通信產(chǎn)品中，激光器是在其原生III-V基板上單獨制造和測試的，然后在微組裝激光封裝中混合集成在硅光子片上或通過高精度倒裝芯片集成。由于此類裝配過程的順序性和高精度要求，這些集成解決方案的制造吞吐量可能無法擴展以滿足未來產(chǎn)品的高密度、成本和體積目標。為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，目前各種混合和異質(zhì)III-V集成技術(shù)正在開發(fā)和商業(yè)化，例如微轉(zhuǎn)移印刷或異質(zhì)III-V集成，涉及直接在硅光子學(xué)晶圓上進行無圖案III-V層堆疊的晶圓鍵合，這種技術(shù)在過去幾年中已經(jīng)得到了徹底的發(fā)展，現(xiàn)在至少有兩條商業(yè)生產(chǎn)線。然而，這種技術(shù)在主流互補金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)代工廠的深度成本降低和廣泛采用，可能會受到芯片到晶圓鍵合的剩余需求和用于外延III-V生長的昂貴III-V供體襯底的阻礙，在制造過程中產(chǎn)生廢物，進一步引起對健康、安全和環(huán)境可持續(xù)性的擔憂。 由于這些原因，高質(zhì)量III-V材料的直接外延選擇性地在大尺寸硅光子片的所需位置仍然是一個非常受歡迎的目標。但是，III-V材料和Si材料之間的晶格參數(shù)和熱膨脹系數(shù)的巨大不匹配不可避免地引發(fā)晶體不匹配缺陷的形成，會降低激光器的性能和可靠性。為了減少III-V層的缺陷，許多研究小組已經(jīng)成功地開發(fā)了厚緩沖層和應(yīng)變超晶格層。以砷化銦(InAs)量子點增益區(qū)為特征的砷化鎵(GaAs)基堆疊，在硅單片集成激光器的性能和可靠性方面取得了巨大進步，利用了量子點對殘余晶體缺陷的改進容限。然而，這些結(jié)果僅限于模級演示。由于熱致應(yīng)力引起的層裂和其他缺陷，在大直徑晶圓上難以實現(xiàn)厚的緩沖層。 通過金屬-有機氣相外延(MOVPE)在圖像化硅晶片上實現(xiàn)III-V材料的選擇性面積生長代表了一種引人注目的集成方法，可以說比分子束外延具有更好的可擴展性潛力。在氣相外延中可以很容易地實現(xiàn)選擇性，因此，III-V材料可以僅在需要的地方沉積。不匹配缺陷的限制是通過在硅晶片上的介電屏蔽層中蝕刻的深而窄的溝槽中開始II